   
|
يك فنجان سوختاب
نگاهي به ويژگي هاي يك سوخت پاكيزه نويافته
نويسنده: بنت ديويس
مترجم: محمد طغرايي، عبدالله مصطفايي
اگر فكر مي كنيد آب و نفت با هم مخلوط نمي شوند، بهتر است با «كيت جانسون» ملاقات كنيد. «كيت جانسون» كه به عنوان پروفسور فيزيك مواد از دانشگاه ام آي تي بازنشسته شده است، كاري كرده كه بسياري در آن ناموفق بوده اند. اين كار مخلوط كردن گازوئيل با آب و تشكيل مخلوطي است كه احتراق آن آلودگي كمتري داشته و در عين حال بازدهي موتور را در همان ميزان طراحي شده حفظ مي كند. سوخت او اگرچه از لحاظ ساخت به سادگي تهيه يك فنجان نسكافه است، ولي در عين حال سال ها نيز پايدار مي ماند. اگر او بتواند اين سوخت را به اندازه كافي ارزان تهيه كند، زندگي ميليون ها انساني را كه در شهرهاي بزرگ پرشده از اتوبوس ها و سواري هاي ديزلي كهنه زندگي مي كنند، بهبود خواهد بخشيد.
در شهرها موتور خودروها دوده و اكسيدهاي نيتروژن بيرون مي دهند و اين به معني آلودگي هايي است كه محيط زيست را تخريب كرده و باعث بيماري هاي ريوي مي شود. تميز كردن دود اگزوز خودروها منجر به تميزتر و سالم تر شدن اين شهرها براي زندگي مي شود.
«جانسون» علت پايداري و «سبز» بودن سوخت خود را به اين صورت بيان مي كند كه او خانواده يي از مواد فعال سطحي شبيه دترجنت ها يافته است كه مولكول هاي آب را به روش شيميايي به مولكول هاي گازوئيل مي چسباند، به طوري كه شبيه به يك توپ شده و يك خوشه پايدار 20 مولكولي را به دور خود جمع مي كند. «جانسون» بررسي كرده كه اين خوشه ها در اثر ارتعاش نوسان مي كنند و اين مشخصه يي است كه روي خواص شيميايي اين محلول تاثير بسزايي مي گذارد. او كشف خود را در شركت تكنولوژي هاي انرژي كوانتوم QET در كمبريج ماساچوست ثبت كرده است. اين شركت در نظر دارد بازار اين گونه سوخت را در سطح جهان توسعه دهد.
كشف «جانسون» در واقع نتيجه نهايي تحقيقاتي بود كه اوايل اين قرن انجام شد و طي آن رانندگان خودروهاي ديزلي متوجه شدند افزودن مقداري آب به سوخت شان غالباً توان موتور را افزايش مي دهد. محققان طي جنگ جهاني دوم روي تصحيح عملكرد سوخت كار كردند كه موفقيتي در پي نداشت، ولي منجر به افزودن آب به بنزين شد. در سال 1994، يك فيزيكدان امريكايي به نام «رادولف گانرمن» اعلام كرد سوخت شيري رنگ او كه مخلوطي از آب، نفت و بنزين است، آلودگي را كاملاً از بين مي برد و در عين حال بازدهي سوخت را بيش از 40 درصد افزايش مي دهد. اما سوخت «گانرمن» هنوز به بازار نيامده است. اين افتخار نصيب شركت نفت فرانسه «الف اكي تن» شد كه با سوختي به نام «آكوازول» كه مخلوطي شيري رنگ از گازوئيل، مواد فعال كننده سطحي و حدود 13 درصد آب بود، وارد بازار شد. اين شركت بعد از دو سال آزمايش ادعا كرد استفاده از آكوازول، ذرات معلق در دود اگزوز را به نصف و NOX را به اندازه حدود 15 درصد كاهش مي دهد.
قابل ذكر است سوخت «گانرمن»، همچنين سوخت آكوازول، امولسيون هايي از قطرات ريز آب پراكنده در گازوئيل است. مولكول هاي آب قطبي است. يعني بار الكتريكي ضعيفي روي خود دارند و در نتيجه براي متصل شدن به ديگر مولكول هاي باردار آماده هستند، ولي در عين حال علاقه يي به متصل شدن به مولكول هاي خنثي، مثل مولكول هاي موجود در بنزين و گازوئيل ندارند. براي غلبه بر اين دافعه، شيميست ها از «مواد فعال كننده سطحي» استفاده كردند، يعني موادي كه مولكول هاي آنها از يك طرف داراي گروه هاي قطبي و در طرف ديگر گروه هاي غيرقطبي هستند. اين مواد شبيه مولكول هاي «مصلح» عمل كرده و مخلوط را با حبس كردن آب در داخل كيسه هاي مولكول هاي فعال كننده سطحي كه مايسل ناميده مي شوند، پايدار مي كنند.
هر چند ابعاد مايسل ها در اين سوخت در حد ميكرون است، اما با اين وجود آنقدر بزرگ هستند كه نور را پراكنده ساخته و مخلوط را سفيدرنگ نشان دهند. همچنين اندازه بزرگ مايسل ها باعث ناپايداري آنها شده است. با گذشت زمان، اجزاي قطبي و غيرقطبي جدا شده و به دو لايه مجزا تبديل مي شوند كه باعث بي مصرف شدن سوخت مي شود. «جانسون» مي گويد: «اين بزرگ ترين مشكل بر سر راه هر كسي است كه بخواهد سوخت تميز را با اين روش بسازد، يعني اين واقعيت كه امولسيون آب و سوخت طي زمان جدا مي شود.»
مطابق گفته «فردريك بارناد» كه مسوول تيم پروژه آكوازول است، سوخت آنها براي حداقل سه ماه پايدار است، اما بايد حداقل براي بيش از شش ماه پايدار باشد. در هر صورت، سوخت گازوئيل گاهي براي مدت هاي طولاني قبل از مصرف انبار مي شود و اين كوتاه بودن عمر نگهداري، مشكل بزرگي است.
هر چه سوخت پايدارتر باشد، احتمال موفقيت تجاري آن بيشتر است و اين موضوعي است كه سوخت «جانسون» در آن امتياز بيشتري مي آورد. او موفق شد در واقع يك «ميكروامولسيون» بسازد كه در آن آب به صورت قطره هايي در حد نانومتر پراكنده شده اند. اين قطره ها آنقدر كوچك هستند كه نور را پراكنده نمي كنند و در نتيجه مخلوط شفاف مي شود. برخلاف قطرات بزرگ موجود در سوخت آكوازول، كشش سطحي خوشه هاي كوچك مولكول هاي آب در سوخت «جانسون»، آنها را براي مدت طولاني پايدار مي سازد.
«فيليپ شولتز» شيميست عضو تيم آكوازول با اين موضوع موافق است كه «يك ميكروامولسيون از لحاظ ترموديناميكي، سيستمي پايدارتر است.» همچنين مولكول هاي آب كه در خوشه هاي «جانسون» از طريق پيوندهاي كووالانسي شكل گرفته، از طريق مواد فعال سطحي مستقيماً به مولكول هاي گازوئيل متصل هستند. اين پيوندها به ميزان بيشتري مخلوط را پايدار مي كنند. مطابق آنچه «جانسون» مي گويد به نظر مي آيد آزمايش هاي وي اين موضوع را تاييد كند كه نمونه هاي سوخت او تا سه سال پايدار باقي مي ماند.
«تام كرنز» استاد تكنولوژي ديزل در كالج ماساسويت در ماساچوست ادعاي «جانسون» را قبول دارد. «كرنز» انجام آزمايش ها روي سوخت «جانسون» را بيشتر از يك سال پيش آغاز كرد. او مي گويد: «وقتي براي اولين بار راجع به اين سوخت شنيدم، به نظرم احمقانه آمد، اما ما مقداري سوخت جانسون را به مدت يك سال در قفسه گذاشتيم، ولي دوفازي نشد.»
«جانسون» مي گويد: «بهتر از همه اينكه توليد اين ميكروامولسيون هيچ گونه فرآيند پيچيده يي ندارد. تنها اجزا را روي هم بريزيد و آنها را مخلوط كنيد.» او از آشكار كردن اينكه دقيقاً از چه ماده يي به عنوان فعال كننده سطحي استفاده مي كند، خودداري كرد اما ادعا كرد قسمتي از راز ساختن قطرات نانومتري در اين نهفته است كه مولكول هاي آب خود را آرايش مي دهند.
خوشه هاي كوچك
محققاني چون «ريچارد سيكالي» در دانشگاه كاليفرنياي بركلي و «ديويد كلاري» در دانشگاه كالج لندن نشان داده اند مولكول هاي آب مي توانند به اشكال مختلفي دور هم جمع شوند، از جمله حلقه پنج مولكولي كه توسط پيوند هيدروژني به وجود مي آيد. اين حلقه ها خود به اشكال مختلفي به هم مي پيوندند و «جانسون» مي گويد يكي از معروف ترين آنها ساختار 12وجهي است كه در آن 20 مولكول آن به صورت پنج وجهي 20 آبه شركت دارند.
در طبيعت اين خوشه ها فقط در كسري از ثانيه وجود دارند و پس از آن يا رشد كرده و بزرگ مي شوند يا توسط مولكول هاي برخوردكننده منهدم مي شوند. اما «جانسون» خانواده يي از مواد فعال كننده سطحي را يافت كه دور خوشه هاي 12وجهي گرد آمده و آنها را پايدار مي كنند.
مطابق تخمين «جانسون» اين خوشه هاي آب 12وجهي خواص ويژه يي دارند. اول اينكه الكترون هاي اتم اكسيژن هر مولكول آب روي الكترون هاي اكسيژن هاي مجاور تاثير مي گذارند كه باعث پديده يي مي شوند كه شيميست ها به آن «اربيتال هاي پي جابه جا شده» مي گويند و مانند موهاي يك برس، از سطح خوشه بيرون مي زنند. از آنجا كه الكترون ها مي توانند با مولكول هاي مجاور پيوند برقرار كنند، اين حالت باعث افزايش فعاليت خوشه مي شود. «جانسون» اينجا مجدداً راز فعال كننده سطحي را فاش نمي كند. چيزي كه نقش اصلي را بازي مي كند، فعال كننده سطحي غني از اكسيژن است، بنابراين به خوشه آب الكترون مي دهد و در نتيجه آنها را فعال تر مي كند. «كن جردن» شيميست دانشگاه پترزبورگ مي گويد: «الكترون با قوت به سيستم متصل نمي شود، پس سهل تر است كه آن را در شكل يك پيوند به اشتراك گذاريم.»
همچنين ساختار خوشه نشان مي دهد اتم اكسيژن كه آنچنان به آن نزديك است تنها 72 انگستروم فاصله دارد كه الكترون روي اكسيژن آن مي تواند خود را به اتم مجاور متعلق بداند. گرچه بارهاي همنام همديگر را دفع مي كنند، اما آنچنان اتم هاي اكسيژن با پيوندهاي قوي نگه داشته شده اند كه نمي توانند از هم فرار كنند. «جانسون» ادامه مي دهد پيوندها به طور پيوسته تغييرشكل مي دهند تا همواره ميزان دفع را حداقل كنند. در واقع باز شدن و فشرده شدن براي حصول به پايداري خوشه است. به اين اثر پديده پوياي «يان-تلر» گويند. «جانسون» مي گويد اين ارتعاش ها از طريق كاهش در انرژي براي واكنش شيميايي، خوشه هاي آب را فعال تر مي سازند.
«جانسون» استدلال مي كند اين قسمتي از علت تميزي سوخت او است. او محاسبه كرده است الكترون هاي روي اتم هاي اكسيژن خوشه ها با مولكول هايي مانند آنتراسين (كه در گازوئيل وجود دارد و معمولاً حين سوختن به دوده تبديل مي شود) واكنش مي دهد. نحوه عمل به اين صورت است كه الكترون ها به وجودآورندگان اين دوده ها را مي شكنند و اجزاي به وجودآمده به آب، منواكسيدكربن و دي اكسيدكربن تبديل مي شود. علاوه بر اين وجود آب در سوخت، فرآيند احتراق را سرد كرده و توليد اكسيدهاي نيتروژن را كاهش مي دهد. نتيجه يي كه در تست هاي آزمايشگاهي توسطQET گرفته شده اين است كه اين سوخت ذرات دوده در دود حاصل از گازوئيل را بيشتر از 80 درصد و اكسيدهاي نيتروژن را بيشتر از 30 درصد كاهش مي دهد. «جانسون» مي گويد: «همچنين افزايش كمي در توان موتور نيز حاصل مي شود.»
به رغم مدارك ارائه شده، تئوري هاي «جانسون» همه را متقاعد نمي كند. مثلاً «سي كالي» كه يك پيشرو در زمينه خوشه هاي آب است، مي گويد: «هيچ روشي وجود ندارد كه بتوان اثبات كرد در اين سوخت، خوشه هاي 20 مولكولي آب وجود دارد. مدل هاي شيميايي ارائه شده به اندازه كافي قابل اعتماد نيستند كه بتوان اين موضوع را ثابت كرد و محاسبات خواص خوشه هايي به كوچكي تنها 20 مولكول از دانش كنوني ما در مورد شيمي كوانتومي تجاوز مي كند.»
«دادلي هرش باخ» شيميست دانشگاه هاروارد با اين موضوع موافق است و مي گويد: «تئوري جانسون موجه اما نظري است.» با اين وجود «جانسون» در مورد ايده اش مطمئن است، چون مدل هاي كامپيوتري كه از قبل براساس مطالعات پيشين اش در مورد خوشه هاي فلزي ابداع كرده آن را تاييد مي كند. او رفتار الكتريكي انواع ابعاد و انواع شكل هاي خوشه هاي آبي را با جايگزين كردن ايزوتوپ هاي مختلف اكسيژن در داخل مدل ها و تهييج و تغييرات فركانس هاي ارتعاش پيوندهاي خوشه ها ثبت كرده است. او اظهار مي دارد: «تنها خوشه هاي حدود 20 مولكولي آب در اندازه يي هستند كه بتوانند ارتعاشي در حد آنچه ثبت شده براي فعال شدن پديده يان- تلر ايجاد كنند.»
مولكول هاي لرزان
«جانسون» همچنين متوجه تيمي در دانشگاه ليون شد كه از تكنيك هاي رامان براي اندازه گيري خواص ارتعاشي آب استفاده مي كنند. او اظهار مي دارد يافته هاي آنان با تئوري او سازگار است. او مي گويد: «طبيعت آنچنان نيست كه فقط خوشه هايي با يك اندازه تشكيل دهد، اما در سوخت ما، آنچنان كه از شواهد برمي آيد، عمدتاً خوشه هاي 20 مولكولي وجود دارد.» «جفرسون تستر» مدير آزمايشگاه انرژي ام آي تي در بعضي موارد با «جانسون» موافق است. او مي گويد: «ادعاهاي جانسون منطقي است، ضمناً ايده هاي او با آنچه ما حين تست مخلوط آب و سوخت او در آزمايشگاه ديديم، سازگاري دارد و همچنين افزايش واكنش پذيري، معياري از اين است كه در اينجا پديده يان-تلر كار مي كند.»
هرچند شايد «جردن» نيز در اين مورد كاملاً متقاعد نشده باشد، ولي گويا دچار دودلي شده است چون گفته است «اين موضوع كاملاً غيرممكن به نظر نمي رسد، چون ساختمان قفس وار مولكول ها در طبيعت نيز وجود دارد كه به آن هيدرات ها گويند ولي نمي توان شكل آنها را از قبل پيشگويي كرد.»
گذشته از اينكه واقعيت چيست بايد ديد كارايي سوخت «جانسون» در خيابان چگونه است. در ژوئن سال 1998 يك تيم از دانشگاه وست ويرجينيا سوخت مزبور را در يك اتوبوس، تحت شرايط شبيه سازي شده خيابان هاي شهري آزمايش كردند. نتايج اميدواركننده بود. ميزان كاهش آلودگي هوا نزديك به چيزي بود كه در آزمايشگاه به دست آمده بود و «سوختاب» جانسون به شدت مورد توجه «داگلاس ويتسون» مسوول بخش سوخت هاي جانشين در موسسه ماسپورت قرار گرفت. با همكاري او به مدت يك سال خط اتوبوسراني مسافران فرودگاه شهر بوستون، متعلق به شركت ماسپورت از مخلوط ديزل شركت QET استفاده كرد. «ويتسون» مي گويد: «ما فرودگاهي بزرگ هستيم كه در گوشه شرقي بوستون قرار داريم و استفاده از سوخت جانسون به منظور كاهش آلودگي هوا راهي براي كاهش اثرات زيست محيطي بر جامعه است.» گرچه موسسه ماسپورت ميزان آلودگي توليدشده توسط «جانسون» را اندازه گيري نكرده است، ولي «ويتسون» مي گويد: «اين سوخت آشكارا دود اگزوز تميزتري نسبت به سوخت گازوئيل معمولي توليد مي كند.» در اين مورد ديگران نيز علاقه مند شدند. هم اكنون سه شركت خصوصي اتوبوسراني در كاستاريكا تست هاي بلندمدتي با سوختاب «جانسون» انجام مي دهند و QET در حال مذاكره با چندين شركت در سطح جهاني است.
موسسه ماسپورت مشتري اين سوخت خواهد بود: مادامي كه قيمت آن قابل رقابت با قيمت سوخت ديزل معمولي باشد، يعني قيمت آن بيشتر از پنج درصد قيمت گازوئيل نباشد. البته در حال حاضر «جانسون» نمي تواند به اين مقصود برسد ولي QET انتظار دارد با افزايش توليد، قيمت آن كاهش يابد. كاهش هزينه سوخت در حالي كه عملكرد سوخت هنوز دوستدار محيط زيست باشد يك چالش است، چون گران ترين جزء اين سوخت، ماده فعال سطحي است. «جانسون» مي تواند با افزايش آب به مخلوط تا 21 درصد، آلودگي را به ميزان بيشتري كاهش دهد. اما براي افزودن آب بيشتر بايد ماده فعال سطحي بيشتري به سوخت اضافه كرد تا سوخت پايدار بماند و اين هزينه را بالامي برد. بنابراين او در جست وجوي راهي است كه ماده فعال سطحي را هم حذف كند.
يك راه حل، قرار دادن آب در معرض شرايط فوق بحراني، يعني دماي 374 درجه سانتيگراد و فشار 220 اتمسفر است. در حالت فوق بحراني، آب در حالتي بين مايع و بخار قرار دارد و «جانسون» مي گويد در اين حالت مشكل اوليه آب، خوشه هاي 20 مولكولي است. تحت اين شرايط مولكول هاي گازوئيل با 11 مولكول آب در خوشه مستقيماً و بدون استفاده از ماده فعال سطحي متصل مي شود. مطابق گفته «جانسون» در تست هاي آزمايشگاهي، سوخت فوق بحراني آلودگي ها را به ميزان موثرتري نسبت به مخلوط ماده فعال سطحي دار كاهش مي دهد، يعني حدود 90 درصد ذرات معلق را كاهش داده و انتشار اكسيدهاي نيتروژن را نصف مي كند. در اين حالت اين سوخت حتي از گاز طبيعي پاك تر مي شود. همچنين شركت QET در حال مذاكره با اداره برق امريكا است تا نظر آنان را براي استفاده از اين سوخت در نيروگاه جلب كند. علاوه بر اين،QET طرح هايي ارائه كرده است تا مالكان خودروها خود اين مخلوط را بسازند و استفاده كنند. اما اين مخلوط قابل احتراق، تنها در آغاز راه است.
«جانسون» در حال پيگيري ديگر خواص عجيب اين خوشه هاي آب است. البته از قبل بسياري از كاربردهاي ديگر اين خوشه ها را باز يافته است، اما اكنون در پي يافتن كاربردهاي احتمالي آن در محصولات مهندسي پزشكي است. او مطلب بيشتري در اين مورد نمي گويد و به هر حال پيشرفت اين موضوع بستگي به علايق تجاري دارد، گرچه او به دنبال ايده هاي بزرگ تري است. او توجه خود را به اطلاعات جمع آوري شده توسط ماهواره «زيرميلي متري موج» ناسا معطوف داشته است كه مي گويد ابرهاي مواد منجمد در فضا همراه و مشابه ارتعاشات خوشه هاي 20 مولكولي «مي تپد».
«جانسون» حدس مي زند اين خوشه ها فضاي بين ستاره ها و كهكشان ها را پر كرده باشند، چون اين خوشه ها در دماهاي پايين و در خلاپايدار هستند. همچنين دفتر كوچك او پر از مقالاتي است كه احتمال مي دهند ممكن است خوشه هاي آب حتي نقش مهمي در تعيين ساختارهاي سلول هاي زنده ايفا كنند. شايد اين سوختاب تنها نوك يك كوه يخ باشد كه قسمت عمده آن زير آب است. او مي گويد: «ما مي توانيم چيزهاي بيشتري از رفتار مولكولي آب ياد بگيريم و در اين صورت درباره حيات بيشتر خواهيم فهميد.»
يك فنجان سوختاب / نگاهي به ويژگي هاي يك سوخت پاكيزه نويافته بنت ديويس / مترجم: محمد طغرايي، عبدالله مصطفايي
روزنامه اعتماد، شماره 1955 به تاريخ 29/2/88، صفحه 10 (علم)
□
دفعات مطالعه اين مطلب: 98 بار
|
فهرست نشريات
